Servomoteur
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Le terme servomoteur fut inventé par Jean Joseph Farcot et popularisé en 1873 dans son livre Le Servo-Moteur.
Un servomoteur (ou servo-moteur) est un moteur électrique conçu pour générer le mouvement précis d'un élément mécanique selon une commande externe.
Un servomoteur est un moteur qui peut atteindre différentes positions prédéterminées et qui les maintient. La position est, en cas d’un moteur rotatif une position d'angle et au cas d’un moteur linéaire une position de distance. On utilise des moteurs électriques aussi bien que des moteurs hydrauliques. Le démarrage et la conservation de la position prédéterminée sont entrepris par un système de réglage.
Pour un ajustement précis de la position, le moteur et son réglage sont équipés d'un système de mesure qui détermine la position actuelle (p. ex. l'angle de rotation parcouru relatif à une position de départ) du moteur. Cette mesure est effectuée sur un réglage rotatif, p. ex. un resolveur, un réglage incrémental ou un réglage absolu (réalisable p. ex. par un potentiomètre).
Le réglage électronique compare le signal à une valeur prescrite de la position de consigne. S’il y a une déviation, le moteur est tourné dans la direction qui garantit le plus petit chemin à effectuer pour arriver à la valeur de consigne. Cela a pour conséquence que l’écart diminue. La procédure se répète si longtemps, jusqu'à ce que la valeur actuelle se trouve incrémentellement ou par l'intermédiaire d’une approximation dans les seuils de tolérance de la valeur consigne. Alternativement, la position du moteur peut être saisie aussi numériquement et comparée via un ordinateur approprié à une valeur prescrite.
Dans une certaine mesure, ces moteurs peuvent être remplacés par des moteurs pas-à-pas qui occasionnent moins de dépenses. Mais les moteurs pas-à-pas peuvent toutefois, dans certaines conditions, commettre des erreurs de mise en position (sauter des pas). De plus, les servomoteurs - généralement avec boîte de vitesses - peuvent délivrer des couples plus élevés et être actionnés avec des vitesses de rotation plus importantes, ce qui est favorable lors des applications dynamiques qui exigent particulièrement une sécurité de travail élevée ou des temps d'ajustage rapides.
Un moteur électrique à courant alternatif ou continu est jumelé à un train d'engrenages démultipliant qui entraîne un essieu avec une grande force de torsion. Généralement, cet essieu est restreint à seulement 180 degrés de rotation par un mécanisme interne. Des composants électroniques détectent la position réelle de l'essieu et contrôlent la rotation du moteur électrique tant que la position de l'essieu ne se conforme pas à celle requise par la commande externe.
Il existe une énorme gamme de servomoteurs. Des gros modèles industriels de plusieurs kilogrammes à courant alternatif, avec des boîtiers et carters d'engrenages en métal, jusqu'aux minuscules servomoteurs en plastique de quelques grammes à courant continu que l'on retrouve dans les avions téléguidés.
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[modifier] Utilisation
Les servomoteurs sont utilisés pour automatiser des vannes industrielles et sont intégrés dans des systèmes techniques de procédé les plus différents. La vaste gamme d'utilisation comprend des applications dans des stations d'épuration jusqu'au raffineries. Dans ce type de système, ils apportent une contribution principale à l'automatisation des procédés techniques. Les vannes à automatiser sont de types de construction et de dimensions différents. Les diamètres des vannes vont de quelques centimètres jusqu'à plusieurs mètres. Selon leur alimentation en énergie, les servomoteurs se divisent en groupes pneumatiques, hydrauliques et électriques. La description ci-dessous détaille principalement les servomoteurs électriques.
[modifier] Division des servomoteurs selon leur mouvement
La course est la distance parcourue par l'obturateur pour effectuer une pleine ouverture ou fermeture de la vanne. Des robinets papillon, des robinets à soupape et des robinets-vannes sont des obturateurs typiques. Les trois obturateurs cités sont des représentants classiques pour les trois mouvements de base requis pour parcourir la course de la vanne. Le papillon est manœuvré avec un mouvement fraction de tour de 90° de la position finale OUVERTE à la position finale FERMEE ; par contre, le cylindre effectue un mouvement de course relativement limité. La manœuvre des tabliers parcourt le diamètre complet de la vanne. Chaque type de mouvement requiert un type de servomoteur défini.
[modifier] Servomoteurs multitours
Les servomoteurs multitours servent à l'automatisation de vannes multitours. Le représentant classique est le tablier. La norme EN ISO 5210 décrit les exigences de base aux servomoteurs multitours :
" Un servomoteur multitours est un servomoteur qui transmet un couple à une vanne durant au moins une manœuvre complète. Il est capable de supporter la poussée. "
Une tige filetée est montée au tablier. A l'aide d'un écrou de tige, le servomoteur visse le tablier dans sa rainure de la position OUVERTE à la position FERMEE et vice versa. Afin de parcourir une course complète, appelée la course de la vanne, le servomoteur doit effectuer selon le type de vanne, entre un nombre minime de tours jusqu'à plusieurs centaines de tours. Par leur conception, les servomoteurs électriques ne sont pas soumis à des restrictions de course, contrairement aux servomoteurs pneumatiques. Pour cette raison, les tabliers sont presque exclusivement automatisés à l'aide de servomoteurs électriques.
Au niveau de la fixation de la vanne - l'interface avec la vanne - le servomoteur multitours doit pouvoir absorber le poids du papillon-vanne. Ceci est clairement exprimé dans la deuxième phrase de la définition.
Les tabliers peuvent avoir un diamètre d'environ 10 cm jusqu'à plusieurs mètres. Le couple requis pour les applications en servomoteur multitours s'élève à une valeur entre 10 Nm jusqu'à 30000 Nm environ.
[modifier] Servomoteurs fraction de tour
Les servomoteurs fraction de tour servent à automatiser des vannes fraction de tour. Des représentants classiques de ce type de vanne sont des robinets papillon et des robinets à tournant sphérique. Les exigences de base aux servomoteurs fraction de tour sont décrits dans la norme EN ISO 5211 comme suit :
" Un servomoteur fraction de tour est un servomoteur qui transmet un couple à une vanne durant moins d'une manœuvre complète. Il ne doit pas supporter la poussée. "
Moins d'une manœuvre complète signifie en règle générale un mouvement rotatif de 90°. Toutefois, il y a des types de vannes nécessitant des angles de rotation différents, p.ex. des robinets à deux passages. Les obturateurs des vannes fraction de tour sont toujours à l'intérieur du logement de la vanne, c'est-à-dire le poids de l'obturateur n'a pas d'effet sur le servomoteur fraction de tour. Ceci est clairement exprimé dans la deuxième phrase de la définition.
Les vannes fraction de tour peuvent avoir un diamètre de quelques centimètres jusqu'à plusieurs mètres. La plage du couple pour manœuvrer l'obturateur est d'une envergure comparable. Elle s'élève à une valeur entre 10 Nm jusqu'à plusieurs 100.000 Nm environ. Les servomoteurs électriques sont sans concurrence pour les vannes à grands diamètres et à une demande élevée de couple.
[modifier] Servomoteurs à déplacement linéaire
Actuellement, il n'y a pas de normes internationales décrivant les servomoteurs à déplacement linéaire. Typiquement, les vannes à automatiser par ce type de servomoteur sont des vannes de réglage. Le cône est pressé dans son siège par un déplacement perpendiculairement au sens de l'écoulement, tout juste comme le bouchon d'une baignoire. Le milieu exerce une pression contre le cône. Le servomoteur à déplacement linéaire doit générer la poussée requise afin de déplacer le cône contre cette pression et de le maintenir en position.
Les servomoteurs à déplacement linéaire utilisés pour cette application sont généralement des servomoteurs de membrane. Ils sont caractérisés par leur principe de construction relativement simplifié et par conséquent peu coûteux. Toutefois, leur utilisation requiert la présence d'une alimentation en air comprimé faute de quoi l'utilisation de servomoteurs électriques à déplacement linéaire est adaptée, leur alimentation en énergie étant plus facilement réalisable.
[modifier] Conception
[modifier] Moteur (1)
Les moteurs triphasés asynchrones et robustes se voient utilisés en tant que moteurs électriques mais aussi les moteurs monophasés AC ou DC. Ces moteurs sont spécialement adaptés pour satisfaire aux demandes d'automatisation des vannes. Par leur construction, ils fournissent en état d'arrêt un couple plus élevé que des moteurs conventionnels. Cette qualité est requise afin de pouvoir sortir des vannes bloquées de leur siège. Les servomoteurs électriques sont employés dans des conditions ambiantes extrêmes. Les moteurs à ventilateurs ne remplissent pas les exigences en type de protection et ne peuvent alors pas être utilisés. Pour cette raison, les servomoteurs ne sont pas conçus pour un fonctionnement en continu car les moteurs requièrent une phase de refroidissement après un certain temps de service. Ceci correspond parfaitement à l'application car les vannes ne sont pas non plus manœuvrées en permanence.
[modifier] Technologie sensorielle de course et de couple (2)
Les contacts fin de course servent à mesurer la distance parcourue et à signaliser lorsque la position finale est atteinte. Un limiteur de couple enregistre le couple présent dans la vanne. Un dépassement d'une valeur de limite est également signalisé. Les servomoteurs disposent fréquemment d'un positionneur indiquant la position de la vanne en tant que signal continu de courant ou de tension.
[modifier] Réducteur (3)
Un réducteur à roue et vis sans fin est souvent employé pour la réduction d'une vitesse de sortie élevée du moteur électrique. Ce réducteur permet une réduction importante au sein d'un palier réducteur menant à une efficacité réduite. Ceci est recherché dans le cas des servomoteurs. Ainsi, le réducteur est irréversible, c'est-à-dire il a une réaction antagoniste contre les déplacements indésirables de la position de la vanne en actionnant sur l'obturateur. Ceci est d'une importance primordiale pour les servomoteurs multitours étant chargés de manière axiale par le poids de tabliers.
[modifier] Fixation de la vanne (4)
La fixation de la vanne est composée de deux éléments. Tout d'abord la bride avec laquelle le servomoteur est solidement vissé à la contrepartie de la vanne. La taille de la vanne augmente avec la valeur du couple à transmettre.
Le deuxième élément est le type d'accouplement utilisé pour transmettre le couple ou la poussée du servomoteur à l'arbre de la vanne. Vu le grand nombre de types de construction des vannes, il y a également une multitude de types d'accouplements.
Pour les servomoteurs multitours et fraction de tour, les dimensions et la forme de la bride de fixation ainsi que des formes d'accouplement sont définies dans les normes EN ISO 5210 ou EN ISO 5211. En règle générale, la norme DIN 3358 s'applique pour les servomoteurs à déplacement linéaire.
[modifier] Commande manuelle (5)
La plupart des servomoteurs électriques est équipée d'un volant en leur version de base permettant de manœuvrer le servomoteur lors de la mise en service ou d'une panne de courant. Le volant ne tourne pas pendant le fonctionnement moteur.
[modifier] Commande de servomoteur (6)
La commande de servomoteur assure d'une part le traitement des signaux du servomoteur et d'autre part le traitement des commandes de manœuvre du système de contrôle distribué. Cette tâche peut être effectuée par une commande externe, p.ex. un API. Les servomoteurs modernes sont équipés d'une commande intégrée assurant le traitement des signaux sur place et sans délais. Les contacteurs nécessaires pour piloter le moteur électrique font également partie de la commande. En tant que composants électroniques, ces contacteurs inverseurs ou thyristors ne sont pas soumis à une usure mécanique. La commande utilise ces contacteurs pour allumer ou éteindre le moteur électrique selon le signal présent ou la commande actuelle. En outre, la commande doit alimenter le système de contrôle distribué avec les signaux de recopie requis, p.ex. lorsqu'une position finale de la vanne a été atteinte.
[modifier] Raccordement électrique (7)
Les conducteurs d'alimentation du moteur et les câbles de signal sont connectés au raccordement électrique pour transmettre les commandes au servomoteur et pour recopier la position du servomoteur. Dans l'idéal, le raccordement électrique est réalisé en tant que connecteur afin d'éviter tout décâblage lors de la maintenance, par exemple.
[modifier] Connexion bus de terrain (8)
Dans le secteur de l'automatisation de procédé, la technologie bus de terrain s'impose de plus en plus pour la transmission des données. Pour cette raison, les servomoteurs électriques sont disponibles avec toutes les interfaces de bus de terrain conventionnellement utilisées dans l'automatisation de procédé. Une technologie de connexion particulière est requise pour connecter les conducteurs de données de bus de terrain.
[modifier] Fonctions
[modifier] Arrêt automatique dans les positions finales
Après la réception d'une commande de manœuvre, le servomoteur pilote la vanne en direction d'OUVERTURE ou FERMETURE. Lorsqu'elle atteint la position finale, un arrêt automatique est introduit. Deux types d'arrêt fondamentalement différents sont possibles. La commande éteint le servomoteur dès que le point de coupure est atteint. Ceci est appelé arrêt sur fin de course. Il existe toutefois des types de vannes nécessitant une manœuvre de l'obturateur en siège final à une force définie ou un couple défini pour assurer l'étanchéité de la vanne. Cette coupure est appelée arrêt sur limiteur de couple. La commande est programmée de manière à couper le servomoteur lorsque le seuil de couple a été excédé. Le signal de position finale des contacts de fin de course sert à indiquer que la vanne est en position finale.
[modifier] Fonctions de sauvegarde
Le limiteur de couple n'est pas uniquement utilisé pour signaler l'arrêt sur limiteur de couple en position finale mais sert également en tant que protection de surcouple pendant toute la course de la vanne. Si un surcouple apparaît au niveau de l'obturateur dans une position intermédiaire, p.ex. causé par un objet piégé, le limiteur de couple se déclenche lorsque le couple prédéfini est atteint. La signalisation de position finale par le contact de fin de course n'est pas présente dans une telle situation. Ainsi, la commande est en position de distinguer entre un arrêt normal sur limiteur de couple dans une position finale et un arrêt exceptionnel en position intermédiaire.
Des sondes de températures servent à protéger le moteur contre toute surchauffe. Dans certaines applications d'autres fabricants, l'accroissement de la tension du moteur est surveillé. Toutefois, la surveillance par thermocontacts et sondes PTC, intégrés dans le moteur, s'est révélée être la méthode la plus fiable. Ces dispositifs se déclenchent lorsque la température de seuil a été dépassée et la commande coupe le moteur.
![Une valeur de consigne [2] et une valeur réelle [3] sont indiquées au positionneur [1]. Le moteur est piloté jusqu'à ce que la valeur réelle soit égale à la valeur de consigne. Généralement, le système de contrôle requiert une recopie de position [4]](../../../upload/shared/thumb/d/db/Positioner_01.jpg/350px-Positioner_01.jpg)
[modifier] Fonctions techniques de procédé
La tendance de décentralisation dans la technologie d'automatisation et l'introduction de microprocesseurs ont favorisé que les fonctions jadis contrôlées par le système de contrôle sont alors mises sous la responsabilité d'appareils installés à distance. Ainsi, la quantité des données à transmettre a pu être réduite. L'introduction de la technologie de bus de terrain a particulièrement fait avancer cette tendance. Ce développement concerne également les servomoteurs électriques dont l'ampleur des fonctions a augmenté considérablement. Un exemple très simple représente le positionnement. Des positionneurs modernes disposent d'une auto-adaptation, c'est-à-dire, le comportement de régulation est surveillé et les paramètres de régulation sont optimisés en permanence.
Entre-temps, les servomoteurs électriques sont disponibles avec des contrôleurs de procédés (contrôleurs PID) valables. Tout particulièrement pour des installations éloignées, p.ex. régulation du débit vers un réservoir surélevé, le servomoteur peut assurer les tâches qui devraient être assurées par une API à installer en supplément.
[modifier] Diagnostic
Le diagnostic comprend deux aspects. Les servomoteurs modernes disposent d'une importante fonction de diagnostic permettant d'identifier et de remédier les défauts en cas de défaillance. Le second point représente l'enregistrement des données de service. L'évaluation des données permet de connaître l'évolution du déroulement fonctionnel, étant ainsi la base pour optimiser l'opération et réduire l'usure du servomoteur et de la vanne en modifiant des paramètres.
[modifier] Modes de service
[modifier] Service tout ou rien
Si les vannes sont utilisées en tant qu'obturateur, la vanne est soit ouverte ou fermée. Les positions intermédiaires ne sont pas approchées. La vanne sera relativement peu opérée, l'intervalle entre deux opérations pouvant être quelques minutes ou plusieurs mois.
Le mode de service " service intermittent S2 " du moteur électrique, selon la norme IEC 34-1, indique que le servomoteur respectif est approprié pour ce type d'application. Ce mode de service est caractérisé en outre par l'indication d'un temps de marche maximum admissible, sans interruption. Normalement, ce temps de marche s'élève á 15 minutes pour les servomoteurs.
[modifier] Service de positionnement
Des positions intermédiaires prédéfinies sont approchées pour régler un débit statique le long d'une tuyauterie. Comme pour le service tout et rien, les limitations de marche s'appliquent également.
[modifier] Service de régulation
Les applications de régulation comprennent fréquemment l'inertie de l'obturateur, due à des conditions changeantes afin de régler un certain débit, par exemple. Lors de certaines applications de régulation sensibles, ce réglage est requis à un intervalle de quelques secondes. Cette exigence au servomoteur est plus importante que lors du service tout ou rien ou de positionnement. La conception mécanique ainsi que le moteur doivent être dimensionnés de manière à résister ces démarrages fréquents sur des longues périodes sans nuire à la précision de régulation.
Le mode de service des moteurs électriques approprié pour ces conditions d'application est appelé " service discontinu S4 " ou " service discontinu S5 ". La limitation du temps de marche est réglée à l'aide d'un temps de fonctionnement relatif, ce qui s'élève à 25 % pour les servomoteur en service de régulation.
[modifier] Conditions de service
Les servomoteurs électriques sont utilisés partout dans le monde, dans toutes les zones climatiques, dans des implantations industrielles de tout type sous des conditions ambiantes locales parfois extrêmes. Les applications sont souvent soumises à des exigences de sécurité de plus grande importance. Ainsi, la fiabilité du matériel doit satisfaire aux demandes des entités exploitantes des installations. La défaillance d'un servomoteur peut mener à des accidents dans des systèmes de techniques de procédé ou à la fuite de substances toxiques nuisant ainsi à l'environnement.
Fréquemment, les systèmes techniques de procédé fonctionnent sur plusieurs décennies ce qui entraîne des exigences accrues à la durée de vie des appareils.
Pour cette raison, les servomoteurs électriques sont réalisés en types de protection élevés. La protection anti-corrosion est un élément de plus haute importance pour les fabricants.
[modifier] Types de protection
Les types de protection des servomoteurs sont définis selon les codes IP, indices de protection, de la norme EN 60529. La plupart des servomoteurs électriques sont réalisés dans leur version de base selon l'indice de protection IP 67. Ceci signifie qu'ils sont imperméables aux poussières et à l'eau et protégés contre les effets de l'immersion à durée déterminée (30 minutes pour une hauteur de colonne d'eau de 1 m). La plupart des fournisseurs offrent leurs appareils en indice de protection IP 68. Ce degré protège le servomoteur contre les effets d'une immersion prolongée, en règle générale jusqu'à une hauteur de colonne d'eau de 6 mètres.
[modifier] Températures ambiantes
En Sibérie, les températures peuvent baisser jusqu'à - 60 °C, dans des systèmes techniques de procédé, la température dépasse parfois aussi le seuil de + 100 °C. Un point décisif pour le bon fonctionnement des servomoteurs dans les conditions spécifiées est l'utilisation d'un lubrifiant approprié. Les lubrifiants étant soumis à des sollicitations thermiques sévères peuvent fonctionner parfaitement dans une température ambiante modérée, mais deviennent beaucoup trop solide lors de basses températures. Ceci fait que le servomoteur ne peut surmonter cette résistance à l'intérieur de l'appareil. Inversement, ces graisses deviennent trop liquides en températures élevées perdent rapidement leur qualité lubrifiante. Lors de la conception du servomoteur, la température prévue de l'environnement d'utilisation ainsi que la sélection du lubrifiant approprié jouent un rôle important.
[modifier] Protection antidéflagrante
Les servomoteurs électriques sont opérés dans des installations industrielles à atmosphères explosibles. Ceci comprend les raffineries, les pipelines, les industries pétrolière et gazière ou encore les mines. En présence d'un mélange explosif de gaz-air ou de gaz-poussière dans une installation, le servomoteur ne doit pas agir en tant que source d'inflammation. Essentiellement, il faut éviter l'échauffement des surfaces des appareils afin d'éviter que les appareils émettent des étincelles inflammables. Ceci peut être réalisé par une enveloppe antidéflagrante, par exemple. Elle admet une explosion interne sans déformation permanente dans une enceinte d'appareil ne pouvant pas se transmettre à l'atmosphère environnante. De par sa construction robuste, le carter doit résister á la pression d'une éventuelle explosion interne sans détérioration.
Les servomoteurs destinés à cette utilisation particulière doivent être qualifiés en tant qu'appareils antidéflagrants par des organismes notifiés. Sur le plan mondial, plusieurs systèmes de qualification cohabitent sans connaître un standard commun. Selon le pays d'exploitation, des systèmes de qualification différents sont à respecter par le fabricant. En Europe, les appareils antidéflagrants doivent répondre à la Directive ATEX 94/9/CE, aux Etats-Unis c'est la NEC par FM ou encore la CEC par la CSA au Canada. Les appareils antidéflagrants doivent satisfaire aux caractéristiques constructives définies dans ces directives.
[modifier] Liens externes
Fabricants leader de servomoteurs électriques
- AUMA
- SIPOS
- [http://www.belimo.com BELIMO
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